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(重慶市渝西水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 重慶 永川 402160)

1 工程概況

烏友灌區(qū)地處仁布縣西南部，距仁布縣15km，位于切娃鄉(xiāng)境內(nèi)。切娃鄉(xiāng)下轄8個(gè)行政村，共949戶、6478人，2010年糧油總產(chǎn)量為91.96萬(wàn)kg，牲畜總頭數(shù)為2.4138萬(wàn)頭(只、匹)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值為1233.7萬(wàn)元，人均年純收入為2215元。本次工程范圍為烏友灌區(qū)3個(gè)子灌區(qū)，均為半農(nóng)半牧區(qū)，無(wú)工業(yè)。灌區(qū)涉及切娃鄉(xiāng)4個(gè)村(切娃村、奴達(dá)村、加雄村、普納村)的農(nóng)田灌溉引水任務(wù)。

烏友灌區(qū)地處半干旱區(qū)，由于受雅江氣流影響，降水量均高于仁布縣其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)，多年平均降水量451.2mm，但蒸發(fā)量1612.2mm，是降水量的3.57倍。灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平很低，干旱缺水是制約項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。在無(wú)灌溉系統(tǒng)的情況下，每年播種面積的多少和產(chǎn)量的高低，都與降水量密切相關(guān)。例如：多雨年份，青稞畝產(chǎn)250～457kg；而干旱年份畝產(chǎn)只有105～140kg，有時(shí)甚至絕收。項(xiàng)目區(qū)在豐水年(1991年)糧食產(chǎn)量達(dá)到100多萬(wàn)kg，而在枯水年(1983年)糧食產(chǎn)量?jī)H有23萬(wàn)kg。當(dāng)?shù)赜小耙缓祪赡隇?zāi)”的說(shuō)法。目前該灌區(qū)雖有部分漿砌石渠道和灌區(qū)群眾自發(fā)修建的臨時(shí)土渠，但由于該灌區(qū)主要地貌類型為河流侵蝕堆積地貌、山麓斜坡堆積地貌、構(gòu)造剝蝕地貌，沖溝發(fā)育且較多，導(dǎo)致沿途分布有25條沖溝，多數(shù)沖溝切割較深，已致使部分原有渠道中斷，其中，尤以16號(hào)沖溝最為嚴(yán)重，如圖1所示。該灌區(qū)工程性缺水，水量保證率無(wú)法滿足，目前有效灌溉面積僅為271.6hm2，且灌溉保證率低，無(wú)法滿足灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。配套和完善烏友灌區(qū)工程，需將灌溉水利用系數(shù)由0.3提高到0.57，農(nóng)、經(jīng)濟(jì)(西瓜)作物灌溉設(shè)計(jì)保證率達(dá)到75%，林、草地灌溉保證率達(dá)到50%；同時(shí)，通過(guò)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，使得灌區(qū)設(shè)計(jì)水平年總灌溉面積達(dá)到800hm2。

圖1 16號(hào)沖溝現(xiàn)狀

2 16號(hào)沖溝跨溝方案的選擇

位于烏友灌區(qū)奴達(dá)溝東2號(hào)干渠樁號(hào)11+213上的16號(hào)沖溝發(fā)育于山體溝谷中，呈“U”形(見(jiàn)圖1)。地形較陡，平均縱坡降約為167‰，匯水面積較大，溝切割較深，而且越到下部越深，最深約有25m，寬一般10～25m，沖溝呈211°方向展布，抵至雅魯藏布江，總長(zhǎng)約1200m。在原渠線斷開(kāi)處溝寬約為24m，深21～24m?？紤]到該沖溝切割較深，寬度也較寬，本沖溝渠系布置方案選擇渡槽、倒虹吸及索橋三種渠系建筑物來(lái)進(jìn)行比較。

3 渡槽方案

渡槽由槽體、排架和邊墩構(gòu)成，如圖2所示。槽體由五跨構(gòu)成，跨度分別為12.0m、10.5m、11m、10.5m、12m;槽體高0.95m,寬1.2m,邊壁厚0.15m,槽底厚0.2m，由C25鋼筋混凝土構(gòu)成。排架由4個(gè)排架柱單元構(gòu)成，高度分別為13.7m、23.6m、23.6m、13.7m；每個(gè)排架柱單元由4根50cm×50cm的C25鋼筋混凝土支撐柱通過(guò)50cm×50cm的C25鋼筋混凝土連接桿構(gòu)成。邊墩采用M7.5漿砌料石砌筑,底寬4.0m,高3.0m。

圖2 渡槽方案縱剖面

4 倒虹吸方案

倒虹吸管輸水流量按最大流量Q=0.56m3/s考慮,倒虹吸由進(jìn)口段、虹吸段和出口段組成，如圖3所示。進(jìn)口段由沉砂池、閘室、進(jìn)水室和鎮(zhèn)支墩構(gòu)成。倒虹吸管材料除2號(hào)鎮(zhèn)墩至3號(hào)鎮(zhèn)墩之間部分采用鋼管外，其余部分均采用鋼筋混凝土管，其總長(zhǎng)為94m,轉(zhuǎn)彎半徑分別為3.0m、3.0m、5.0m、3.0m。出口段由鎮(zhèn)墩和消力池構(gòu)成，消力池長(zhǎng)5.0m、寬2.0m,池深1.3m。

4.1 倒虹吸管管徑計(jì)算

考慮有壓管攜沙流速，設(shè)計(jì)流速v=1.5m/s，經(jīng)計(jì)算虹吸管管徑為700mm。

4.2 倒虹吸管水頭損失計(jì)算

經(jīng)過(guò)計(jì)算：虹吸段局部水頭損失和沿程水頭損失之和為0.337m。

水面降落差ΔZ2=0.337m。

綜上所述，虹吸管進(jìn)口段起始斷面至虹吸管出口段末水面總落差為：

ΔZ=ΔZ1+ΔZ2-ΔZ3=0.371m

5 索橋方案

管道索橋由橫擔(dān)、穩(wěn)繩、吊繩、纜繩、拉繩、索塔、纜繩錨墩及相關(guān)連接構(gòu)件組成，索橋長(zhǎng)度70m,跨度30m，如圖4所示。橫擔(dān)采用[16a槽鋼制作，上部放置∠50×5角鋼并鋪設(shè)5mm厚鋼板網(wǎng)作為安裝檢修便道；所有繩索連接器具均按照相關(guān)規(guī)范要求連接，纜繩和穩(wěn)繩均設(shè)置松緊裝置；索塔高10m,單邊索塔由兩個(gè)立柱組成，單個(gè)立柱主截面1200mm×800mm，采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆注；錨墩尺寸2m×2m×2m，纜繩錨于纜繩錨墩內(nèi)，錨墩埋地深度大于2m，確保索橋穩(wěn)定。過(guò)水鋼管采用鋼筋配合螺栓固定于橫擔(dān)上，繩索將橫擔(dān)拉起，通過(guò)松緊裝置調(diào)整索橋下墜高度和受力情況。

圖4 索橋方案縱剖面

5.1 纜繩計(jì)算復(fù)核

由于索橋?yàn)榉菢?biāo)不過(guò)人索橋，在偏于安全的情況下，為簡(jiǎn)化計(jì)算，先假定主纜繩和吊繩穩(wěn)定運(yùn)行后的線形，再根據(jù)假定線形反算各纜繩受力情況，根據(jù)各纜繩受力情況，復(fù)核纜繩是否滿足要求。

由于管索橋兩側(cè)及上下游結(jié)構(gòu)對(duì)稱,假定主纜繩和吊繩穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)線形關(guān)系如圖5所示：

圖5 主纜繩和吊繩穩(wěn)定運(yùn)行線形關(guān)系

荷載取值：

供水管為DN400鋼管，視跨沖溝段送水鋼管及相關(guān)連接設(shè)施重量全部為鋼纜繩,相關(guān)材料自重如下表所示：

索橋自重表

材料自重：2867.538kg，取30kN。

管內(nèi)水重：

0.2145m×0.2145m×3.14×30m×1000kg/m3=4334.2kg, 取45kN。

兩根主纜繩承受豎直方向總荷載為：(30kN+45kN)×1.2=90kN。

單根主纜繩承受豎直方向總荷載為：45kN。

為便于計(jì)算，取單邊纜繩進(jìn)行計(jì)算，視所有荷載均布于鋼管上，采用清華大學(xué)土木系結(jié)構(gòu)力學(xué)教研室研制的《結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器》進(jìn)行求解，如下頁(yè)圖6所示：

主纜繩：φ34鋼絲繩，截面積A=907.46mm2，EA= 1633428kN。

吊繩：φ11鋼絲繩，截面積A=94.985mm2，EA=170973kN。

供水管：DN400mm鋼管，外徑429mm,內(nèi)徑413mm，截面積A=94.985mm2，慣性矩I=π(D4-d4)/64=2.34×10-4m4，EA=189970kN，EI=2.34×104kN/m2。

經(jīng)計(jì)算：

主纜繩最大拉力：(1)、(12)單元，最大拉力Fmax=91.46kN

圖6 建模圖

吊繩最大拉力：(13)、(23)單元，最大拉力Fmax=10.38kN

鋼管最大彎矩：(28)、(29)單元，最彎矩Mmax=68.221kN/M

結(jié)構(gòu)最大位移：(24)～(23)單元，最大位移μmax=0.011m

纜繩復(fù)核結(jié)論：

主纜繩選用φ34鋼芯鋼絲繩(鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度1870MPa)，最小破段拉力F=717kN，大于7倍主纜繩最大拉力。滿足規(guī)范要求。

吊繩選用φ11鋼芯鋼絲繩(鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度1870MPa)，最小破段拉力F=75.1kN，大于7倍吊繩最大拉力。滿足規(guī)范要求。

鋼管計(jì)算最大彎矩Mmax=68.221kN/M，實(shí)際采用[16a槽鋼作為橫擔(dān)，可以滿足要求。

結(jié)構(gòu)最大位移μmax=0.011m，管索橋主纜繩計(jì)算線形為假定線形，實(shí)際使用中，主纜繩線形較計(jì)算線形稍有下墜，對(duì)纜繩受力情況計(jì)算結(jié)果影響不大。

5.2 索塔傾覆計(jì)算復(fù)核

在偏于安全的情況下，為簡(jiǎn)化計(jì)算，去單側(cè)索塔進(jìn)行抗傾覆計(jì)算。索塔采用C25鋼筋混凝土澆筑，單側(cè)索塔自重G=18.6m2×0.8m×25kN/m3=372kN。

索塔傾覆彎矩：W=27.1kN×10m=271kN·m。

索塔抗傾覆彎矩：

W抗=85.9kN×4.1m+372kN×3.5m=2604kN·m>W=271kN·m

索塔不會(huì)傾翻。

5.3 索塔抗滑計(jì)算復(fù)核

索塔水平拉力f水平=27.1kN，索塔基礎(chǔ)埋深2m，索塔不會(huì)發(fā)生滑移。

5.4 索塔基礎(chǔ)承載力復(fù)核計(jì)算

索塔基礎(chǔ)面積為A=10.08m2,基礎(chǔ)總荷載為：N=85.9kN+372kN=457.9kN。

索塔基礎(chǔ)壓應(yīng)力為：N/A= 45.43kPa<[δ]地基承載力=100kPa。

索塔地基承載力滿足要求。

6 方案比選

通過(guò)造價(jià)計(jì)算，渡槽造價(jià)為68.50萬(wàn)元，倒虹吸造價(jià)50.57萬(wàn)元，索橋方案投資為64.08萬(wàn)元。由于渡槽空間跨度大、排架高、施工難度大，故對(duì)地基承載力要求較高。倒虹吸上下游水頭差不大，沖溝沖淤問(wèn)題不容易解決。因此，最終確定索橋方案為16號(hào)沖溝渠線布置方案。

7 結(jié) 語(yǔ)

西藏自治區(qū)境內(nèi)大部分山高谷深，山巒起伏，溝壑縱橫，河流密布。地貌上屬構(gòu)造剝蝕地形和剝蝕堆積地形，山谷間沖溝發(fā)育，在此類沖溝上布置渠系建筑物，需慎重選擇。本文通過(guò)仁布縣烏友灌區(qū)16號(hào)沖溝的方案比選，希望能給其他類似工程提供一些經(jīng)驗(yàn)。

1 重慶市渝西水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院.西藏仁布縣烏友灌區(qū)工程可行性研究報(bào)告[R].2011.

2 JTJ xxx—2002公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

3 JTJ 023公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

4 GB/T 17101橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲[S].

5 GB 11352一般工程用鑄造碳鋼件[S].

6 GB 7659焊接結(jié)構(gòu)用碳素鋼鑄件[S].

7 YB/T 3077合金鑄造鋼[S].

8 SL 191—2008水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

9 JTJ 024公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].